Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép (lpg - Diesel)

ilanh và có xu hướng xuất hiện kích nổ. - Phát thải muội than và NOx giảm đáng kể khi sử dụng LPG; tỷ lệ LPG thay thế càng lớn thì mức giảm muội than càng nhiều. - Phát thải HC và CO lớn hơn phát thải của động cơ Diesel; tỷ lệ LPG thay thế càng tăng thì phát thải HC càng lớn. - Tuy nhiên, một số nghiên cứu đưa ra các kết quả rất khác nhau xung quanh một số vấn đề như sau: - Về hiện tượng cháy kích nổ: Hiện tượng kích nổ xảy ra khi tăng tỷ lệ LPG thay thế đến mức nhất định, tuy nhiên các tỷ lệ LPG thay thế giới hạn xảy ra kích nổ được các tác giả chỉ ra rất khác nhau, thay đổi từ 20% đến trên 50% nên người sử dụng không xác định được nên giới hạn ở tỷ lệ nào là thích hợp. - Ảnh hưởng của LPG đến thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, tốc độ cháy ở tải nhỏ và trung bình được công bố khác nhau. Một số tác giả cho rằng LPG làm tăng tốc độ cháy dẫn đến áp suất cực đại tăng, một số khác lại cho rằng LPG làm giảm nhiệt độ môi chất ở kỳ nén và giảm ôxy dẫn đến tăng thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, dẫn đến làm giảm áp suất khí thể cực đại và do vậy làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ. Các nhận định trái chiều nhau này làm khó cho cho người sử dụng trong việc xác định hướng điều chỉnh tỷ lệ LPG thay thế và góc phun sớm tối ưu khi chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel. - Các nghiên cứu của các tác giả về cùng một vấn đề nhưng lại cho kết quả khác nhau như đã đề cập và phân tích ở trên là do động cơ thí nghiệm và các điều kiện vận hành động cơ trong thí nghiệm khác nhau. Từ đó có thể kết luận rằng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ như kích nổ, phát thải, góc phun sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào loại và kết cấu động cơ, thành phần nhiên liệu sử dụng, phương pháp cấp nhiên liệu LPG và điều kiện vận hành động cơ. - Đa số các nghiên cứu của các tác giả chưa quan tâm đến việc cung cấp tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế lớn nhất nhưng phải bảo toàn công suất và mô ment của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép so với khi sử dụng nhiên liệu Diesel. Chính vì vậy, “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép (LPG-Diesel)” để làm rõ hơn ảnh hưởng của tỷ lệ LPG trên động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là rất cần thiết để xác định được các thông số điều chỉnh hợp lý giúp cho việc chuyển đổi hiệu quả động cơ Diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu kép LPG - Diesel. Các vấn đề cần được nghiên cứu làm rõ thêm gồm: - Nghiên cứu và điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel) với động cơ Diesel sử dụng bộ điều khiển nhiên liệu bằng điện tử để vận dụng chuyển đổi cho các động cơ sử dụng Diesel hiện đại điều khiển bằng điện tử. - Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến diễn biến quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ. - Tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất có thể nhưng đáp ứng các tính năng kỹ thuật của động cơ. - Các thông số điều chỉnh như góc phun sớm tối ưu khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel ở các tỷ lệ thay thế khác nhau và phương pháp điều chỉnh cấp LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP LPG - DIESEL Trong luận án này, tác giả sẽ xây dựng và phát triển các mô hình nhiệt động với các mô hình toán về động học phản ứng cháy để mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel với việc tạo hỗn hợp đồng nhất LPG - không khí từ bên ngoài và phun mồi diesel trên động cơ nghiên cứu Toyota 3C-TE (hình 2.1) trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm phân phối VE điều khiển bằng điện tử (VE – ECD - Electronic Diesel Control). Mục đích cụ thể như sau: – Xây dựng và phát triển các mô hình toán biểu diễn các quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel. – Đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ và xác định tỷ lệ LPG thay thế hợp lý và các thông số điều chỉnh tối ưu cho động cơ. – Cung cấp số liệu tính toán làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi động cơ Diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu kép LPG - Diesel một cách hiệu quả. 2.1 Quá trình cháy trong động cơ Diesel và LPG - Diesel 2.1.1 Quá trình cháy trong động cơ Diesel 2.1.2 Quá trình cháy trong động cơ LPG - Diesel 2.2 Các giả thiết để nghiên cứu về động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel 2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán mô phỏng quá trình cháy động cơ LPG - Diesel 2.3.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất 2.3.2 Mô hình hỗn hợp môi chất Hỗn hợp môi chất trong động cơ diesel-LPG được mô tả bởi các thành phần hình thành lên hỗn hợp gồm nhiên liệu diesel, LPG (C3H8, C4H10), O2, N2, CO2, H2O, CO, H2. 2.3.3 Mô hình truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xi lanh, piston, và lót xi lanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:  wi i w c wi–Q = A .α . T T 2.3.4 Mô hình cháy trong xi lanh Sử dụng mô hình cháy Vibe 2 vùng, các phản ứng của chuỗi Zeldovich với hệ số tốc độ để tính toán lượng NOx, các phản ứng theo A. Onorati để tính toán CO, mô hình Hiroyasu để tính phát thải bồ hóng trong khí thải của động cơ diesel và động cơ LPG – Diesel. 2.3.5 Mô hình hình thành phát thải các chất độc hại. Sản phẩm độc hại của quá trình cháy trong động cơ Diesel và LPG - Diesel bao gồm các chất sau: HC, NOX, SO2 và muội than. 2.4 Mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel với phần mềm AVL - BOOST 2.4.1 Phần mềm mô phỏng AVL BOOST Phần mềm AVL-BOOST phiên bản 2013 cho phép xác định các chỉ tiêu kinh tế, đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ với độ tin cậy cao. AVL BOOST bao gồm những tính năng cơ bản sau: - Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp... - Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp của động cơ. - Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình cháy, quá trình trao đổi khí, quá trình phát thải độc hại... (2.9) 6 - Có khả năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng với các dữ liệu động (Matlab, Fire, Cruise) 2.4.2 Ứng dụng phần mềm AVL BOOST trong tính toán mô phỏng: Trong luận án này, tác giả sử dụng mô hình cháy là mô hình Vibe 2 vùng cho cả hai trường hợp sử dụng nhiên liệu Diesel và nhiên liệu kép LPG - Diesel. Đây là mô hình hai hàm Vibe chồng lấn áp dụng cho hai vùng hỗn hợp cháy là vùng cháy hỗn hợp đồng nhất được chuẩn bị trước và vùng cháy khuyếch tán của nhiên liệu diesel phun sau. 2.4.3 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Diesel Toyota 3C – TE 2.4.3.1 Các thông số cơ bản của động cơ Toyota Diesel 3C - TE Đề tài chọn động cơ để nghiên cứu thực nghiệm là động cơ 3C-TE làm động cơ nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm. 2.4.3.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng Độ chính xác của mô hình được đánh giá thông qua việc so sánh một số kết quả như công suất, mô men giữa kết quả thực nghiệm động cơ từ phòng thí nghiệm động cơ - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM với kết quả mô phỏng. Kết quả so sánh các thông số công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 3C-TE được thể hiện như sau: Hình 2.10: Mô men và công suất của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng Các kết quả mô phỏng cho thấy, dải sai lệch về công suất của động cơ lớn nhất là 3.88% ở tốc độ 1800 v/ph và nhỏ nhất là 1.26% ở tốc độ 3800 v/ph, dải sai lệch này là trong nghiên cứu có thể chấp nhận được. Hình 2.11: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 3C – TE thực nghiệm và động cơ mô phỏng sử dụng nhiên liệu Diesel 10 20 30 40 50 60 70 80 P o w e r (k W ) 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 3800 4200 engine_speed (rpm) 50 75 100 125 150 175 200 225 250 T o rq u e ( N .m ) Ne-mô phong (kW) Ne-thuc nghiêm (kW) Me-mô phong (N.m) Me-thuc nghiêm (N.m) 100 125 150 175 200 225 250 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 3800 4200 S u ấ t ti êu h a o n h iê n l iệ u G e [g /k W .h ] Tốc độ động cơ [vòng/phút] Ge - Thực nghiệm Ge - Mô phỏng 7 Độ sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với các bài toán mô phỏng cho phép đến 5%. Đối với mô hình động cơ 3C – TE đã xây dựng, giá trị sai lệch công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn giá trị sai lệch cho phép, điều đó cho thấy các thông số và điều kiện biên nhập cho mô hình là hoàn toàn phù hợp. 2.4.4 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Toyota 3C-TE sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel Hình 2.12: Mô hình mô phỏng động cơ LPG - Diesel trên AVL-BOOST. Tiến hành mô phỏng động cơ chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel bằng cách cung cấp LPG vào đường nạp của động cơ với giả thiết LPG có tỷ lệ thành phần thể tích Propan/Butan=50/50 được cấp với lưu lượng đảm bảo tỷ lệ LPG thay thế đã định. Tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế có thể được tính như sau: Lượng LPG thay thế được xác định như sau: Diễn biến áp suất trong xilanh động cơ cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở 100% tải với tỷ lệ LPG thay thế 20%, tốc độ 2600v/ph (tốc độ ứng với mô men lớn nhất) khi chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel. Sai lệch về áp suất lớn nhất là 1.48 bar (1.98%) (áp suất lớn nhất khi thực nghiệm là 74.82 bar và khi mô phỏng là 73,34 bar) và sai lệch áp suất trung bình giữa mô phỏng so với thực nghiệm không quá 3,95 bar (gần 5%). 2.5 Kết quả mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel Tiến hành chạy mô phỏng với AVL BOOST theo các điều kiện đầu vào phù hợp các điều kiện lý thuyết hoạt động của động cơ sử dụng nhiên liệu kép. Sau khi kết thúc quá trình chạy mô phỏng với các tỷ lệ LPG thay thế lần lượt là 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60% và 70% và kết quả được tiến hành xuất ra các đặc tính kỹ thuật của động cơ như sau: 2.5.1 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến đặc tính Mômen của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel thì moment tăng theo tỷ lệ thay đổi LPG. Ở chế độ LPG thay thế từ 10% đến 70%, moment động cơ tăng trung bình từ 1.68% đến 7.20% so với giá trị mô men khi sử dụng diesel nguyên thủy. Lượng diesel được thay thế Tỷ lệ LPG thay thế = Tổng diesel ban đầu Nhiệt trị thấp LPG Lượng LPG thay thế = 8 2.5.2 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến đặc tính Công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel Kết quả mô phỏng cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel thì công suất động cơ tăng theo tỷ lệ thay thế LPG. Ở chế độ LPG thay thế từ 10% đến 70%, công suất động cơ tăng trung bình từ 1.68% đến 7.20% so với giá trị công suất động cơ khi sử dụng Diesel hoàn toàn. Kết quả đo được thể hiện ở phục lục 2.4, là do tăng tỷ lệ thay thế LPG làm cho giá trị nhiệt trị trong nhiên liệu hòa trộn LPG - Diesel cao hơn, quá trình cháy diễn ra tốt hơn với các tính năng về động học, áp suất khí cháy và nhiệt độ khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel cao nên cũng góp phần làm tăng công suất của động cơ. 2.5.3 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến nhiệt độ quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel Khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì nhiệt độ quá trình cháy giảm. Ở chế độ LPG thay thế 10%, nhiệt độ quá trình cháy trung bình giảm 0.19 % so với giá trị nhiệt độ quá trình cháy khi sử dụng Diesel hoàn toàn. Kết quả đo được thể hiện ở phụ lục 2.5. Vì khi cung cấp LPG hòa trộn với Diesel sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa khi cháy, thời gian duy trì môi chất đã cháy ở nhiệt độ cao và thời gian cháy trễ tăng lên. 2.5.4 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến áp suất quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel Áp suất quá trình cháy là một trong những thông số để đánh giá quá trình làm việc của động cơ, nó còn là yếu tố ảnh hưởng đến công suất và môment của động cơ. 2.5.5 Phát thải NOx trong quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel Khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì hàm lượng NOx giảm. Ở chế độ LPG thay thế 10%, phát thải trung bình của NOx giảm 10.86% và chế độ LPG thay thế 20%, phát thải trung bình của NOx giảm 4.57% so với giá trị NOx khi sử dụng nhiên liệu Diesel truyền thống. Kết quả đo được thể hiện ở phụ lục 2.6. Khí NOx giảm là do LPG khi hòa trộn với Diesel sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa khi cháy, thời gian duy trì môi chất đã cháy ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với ngọn lửa được rút ngắn làm giảm quá trình hình thành NOx ở chế độ nhiệt độ cao. Nhưng khi tăng tỷ lệ thay thế LPG từ 30% đến 70% thì hàm lượng phát thải NOx sẽ tăng theo tỉ lệ thuận bởi vì trong những chế độ này thời gian cháy trễ của quá ttrình cháy giảm do đó áp suất, và nhiệt độ cháy tăng mạnh. Điều này sẽ làm gia tăng hiện tượng phản ứng hóa học của Nitơ và ôxy trong hỗn hợp cháy của động cơ. 2.5.6 Phát thải CO trong quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel Kết quả phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel mô phỏng cho thấy khi LPG phun vào đường nạp động cơ thì khí thải CO tăng lên ở tất cả các chế độ mô phỏng theo tăng tỷ lệ thay thế LPG. Giá trị CO tăng trung bình ở chế độ LPG thay thế 10% là 4.46% và ở chế độ LPG thay thế 70% là 22.98% so với giá trị CO khi sử dụng Diesel nguyên thủy. Hàm lượng CO tăng là do hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và không khí quá nghèo, dưới giới hạn cháy nên không cháy hết hoặc màng lửa không lan đến kịp trong không gian buồng cháy. 2.5.7 Phát thải muội than (SOOT) Kết quả mô phỏng phát thải muội than (Soot) ở chế độ toàn tải cho thấy khi tăng tỷ lệ LPG thì phát thải muội than giảm so với trường hợp sử dụng 100% nhiên liệu Diesel ở mọi chế độ thử nghiệm, Khi mô phỏng với tỷ lệ LPG 10%, 20%, 30%, 40%, 50% thì phát thải muội than trung bình giảm tương ứng là 9,86%, 32,53%, 34,23%, 50,84% và 56,27%. Do bổ sung LPG nên quá trình cháy trong vùng tia phun tốt hơn làm cho muội 9 than của khí thải giảm. 2.5.8 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến diễn biến áp suất trong xilanh động cơ Dựa trên diễn biến áp suất trong xilanh khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì nên giảm góc phun sớm Diesel so với động cơ chạy 100% nhiên liệu Diesel. Ở tốc độ 2600v/ph, 100% tải thì góc phun sớm hợp lý là 140CA (giảm 40CA so với khi chạy chỉ với nhiên liệu diesel). 2.6 Kết luận chương 2 Từ việc nghiên cứu mô phỏng sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel trên động cơ Diesel Toyota 3C – TE có thể kết luận tóm tắt như sau: - Việc cấp LPG vào đường nạp bằng phương pháp phun cho động cơ diesel là rất phù hợp và không yêu cầu phải thay đổi kết cấu động cơ. Tính chất nhiên liệu LPG đáp ứng được yêu cầu làm việc của động cơ. - Mô hình cung cấp LPG cho động cơ 3C – TE đã xây dựng và ứng dụng các thông số và điều kiện biên nhập cho mô hình là hoàn toàn phù hợp dẫn đến giá trị sai lệch kết quả mô phỏng về công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng với thực nghiệm thực nghiệm đều nhỏ hơn giá trị sai lệch cho phép. Các chế độ mô phỏng cho thấy độ sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với các bài toán mô phỏng cho phép đến 5%. - Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel ở các tỷ lệ thay thế LPG từ 10% - 70% cho thấy thành phần khí phát thải HC và CO trung bình đều tăng; Ở một số chế độ thay thế với tỷ lệ thay thế LPG ít phát thải NOx có giảm còn muội than giảm nhiều. Cụ thể: Ở chế độ 100% tải, khi thay thế 10% LPG thì phát thải NOx giảm lớn nhất 10.86%, muội than giảm 32.53%, nhưng CO tăng 4.46% và HC tăng hơn 200%. - Khi tăng tỷ lệ LPG thì phát thải HC tăng mạnh, đặc biệt là ở các chế độ tải nhỏ, do đó ở các chế độ tải nhỏ nên sử dụng tỷ lệ LPG thay thế thấp hơn. Có thể sử dụng LPG thay thế Diesel tới 40% ở toàn tải, khi sử dụng tỷ lệ LPG thay thế cao hơn, thành phần phát thải HC, NOx và tốc độ tăng áp suất khí thể tăng cao. - Động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel cần giảm góc phun sớm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel để đạt các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải tốt hơn. Cụ thể: Ở tốc độ 2600 v/ph, 100% tải thì góc phun sớm hợp lý tương ứng là 140CA (giảm 40). CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG TRONG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP (LPG-DIESEL) Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel được thực hiện động cơ diesel 3C - TE trang bị hệ thống nhiên liệu kiểu bơm phân phối điều khiển bằng điện tử VE – EDC (Electronic Diesel Control). Hệ thống điều khiển bằng ECU cho phép thay đổi các thông số điều chỉnh của động cơ một cách dễ dàng và giúp cho việc xác lập các điều kiện làm việc và lấy dữ liệu một cách thuận tiện, tin cậy và chính xác. Việc nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ này mang ý nghĩa thực tế cao, có thể nhân rộng kết quả để áp dụng vận hành thực tế ngay. 3.1 Hệ thống điều khiển nhiên liệu Diesel bằng điện tử của động cơ 3C – TE. 3.1.1 Quá trình điều khiển lưu lượng nhiên liệu.  Nguyên lý điều khiển lưu lượng nhiên liệu. Trong bộ điều khiển điện tử (ECU) đã có sẵn dữ liệu về lưu lượng phun cơ bản đã được tính toán dựa trên các yếu tố như tốc độ động cơ, tải của động cơ, khả năng tăng tốc. 10 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển phun nhiên liệu cung cấp cho động cơ.  Quá trình điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động cơ.  Nguyên lý điều khiển van định lượng SPV (Solenoid Spill Valve) Hình 3.4: Tín hiệu điều khiển van định lượng nhiên liệu (SPV) thực tế. - Điều khiển đóng van định lượng nhiên liệu SPV. - Điều khiển mở van định lượng nhiên liệu SPV.  Lưu đồ tính toán điều khiển lượng nhiên liệu phun. 3.1.2 Quá trình điều khiển thời điểm phun nhiên liệu.  Quá trình kiểm soát thời gian phun.  Van định thời điểm phun nhiên liệu TCV (Timing Control Valve). Hình 3.6: Cấu trúc van định thời điểm phun TCV.  Nguyên lý điều khiển thời điểm phun nhiên liệu.  Điều khiển thời điểm phun cơ bản. Bộ điều khiển động cơ tính toán thời điểm phun nhiên liệu, sau đó truyền tín hiệu tới van điều khiển thời điểm phun để duy trì thời điểm phun tối ưu. Thời điểm phun tối ưu này được gọi là góc trục khuỷu mục tiêu. Việc hiệu chỉnh thời điểm phun cơ bản là tính toán từ các điều kiện hoạt động của động cơ (tín hiệu tăng tốc, tốc độ động cơ, v.v) tùy theo nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp, v.v, bộ điều khiển sẽ thực hiện các yếu tố sau: 11 3.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ thực nghiệm 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ thực nghiệm 3.2.2 Hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép Diesel – LPG Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống cung cấp phun nhiên liệu LPG cho động cơ Diesel Yêu cầu đặt ra là bộ điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG phải điều chỉnh độ rộng xung phun thích hợp để đảm bảo lượng phun LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ, tức là đảm bảo tỷ lệ LPG thay thế tối ưu ở các chế độ làm việc. 3.2.3 Cơ sở tính toán lượng nhiên liệu LPG cung cấp cho động cơ Đặc điểm của động cơ dùng nhiên liệu kép là sử dụng một lúc hai nhiên liệu. Lượng nhiên liệu mồi diesel được quyết định nhờ thời gian đóng mở van SPV (Spill Valve) trên bơm cao áp. Lượng LPG cung cấp thay thế được quyết định bởi thời gian nhấc kim phun LPG.  Tính toán chu trình nhiệt động cơ khi sử dụng tỷ lệ năng lượng Diesel và khí hóa lỏng (LPG) Xác định thành phần nhiên liệu Diesel và khí LPG trong 1kg hỗn hợp Gnl = GnlD + GnlLPG [kg/h] (3.8) – Thành phần phần trăm khối lượng của diesel trong 1kg hỗn hợp là: %100* G G D ln nlD hh  (3.9) – Thành phần phần trăm khối lượng của LPG trong 1kg hỗn hợp là: %100* G G LPG nl LPG hh  (3.10) – Nhiệt trị của hỗn hợp (%Diesel + % LPG) là: QH = QHD * Dhh + QHLPG * LPGhh [kJ/kg] (3.11)  Khối lượng không khí nạp  Lượng nhiên liệu khí LPG Nhiên liệu LPG gồm có 50% Propane (C3H8) và 50% Butane (C4H10) nên thành phần khối lượng của C và H là: 0,823C và 0,177H, không có thành phần oxy trong nhiên liệu nên Onl = 0. Lượng nhiên liệu phun LPGm tỷ lệ thuận với thời gian phun và căn bậc hai của chênh lệch áp suất giữa ống phân phối nhiên liệu và đường ống nạp trong trường hợp phun trên đường ống nạp. Trường hợp LPG phun trực tiếp là sự chênh lệch áp suất giữa đường ống phân phối và buồng cháy. Tỷ trọng của nhiên liệu và diện tích mở có ích của van kim phun được xem như hằng số. 12 0 . 2 . injt LPG LPG inj LPG eff inj LPG p m m dt A t     (3.22)  Tính toán lượng nhiên liệu Diesel Đối với động cơ diesel chọn  =1,3. Do đó khối lượng nhiên liệu diesel được tính theo công thức sau: 1 2 2 adiesel diesel eff diesel mp m A n CYL      (3.27) 3.3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mạch bộ điều khiển cung cấp khí LPG cho động cơ 3C-TE Hình 3.15: Mạch điều khiển hệ thống cung cấp LPG Mạch điều khiển hệ thống cung cấp LPG cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel được lập trình bằng ngôn ngữ LabVIEW [7], kết nối và điều khiển từ máy tính thông qua cổng USB 2.0. Sau khi hoàn chỉnh mạch điều khiển cung cấp LPG, để bố trí thành một hệ thống điều khiển cần phải kết nối với bộ điều khiển của hệ thống nhiên liệu Diesel và mạch công suất điều khiển hệ thống LPG như sau: 3.4 Kết luận chương 3 - Đã nghiên cứu, nắm rõ nguyên lý điều khiển của động cơ phun nhiên liệu Diesel bằng điện tử VE – EDC. Từ nguyên lý điều khiển đó thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cắt giảm lượng nhiên liệu Diesel cung cấp khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép, đồng thời hoàn toàn điều chỉnh góc phun sớm của động cơ để xác định góc phun sớm tốt nhất khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). - Nghiên cứu và chế tạo thành công mạch điều khiển tỷ lệ cung cấp (LPG – Diesel) hoạt động với độ tin cậy, kết nối điều khiển với máy tính trong việc thu thập các số liệu và điều khiển của hệ thống cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel). Đây là cơ sở quan trọng cho việc thực hiện các nghiên cứu sâu về sử dụng nhiên liệu LPG - Diesel cho động cơ nghiên cứu. - Đã ứng dụng thành công sử dụng kim phun LPG điều khiển điện tử trong việc chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệ kép LPG – Diesel, đồng thời sử dụng các tính năng ổn định của các cảm biến, các thông số kim phun LPG và mạch điều khiển công suất cho các kim phun và phần mềm BRC SEQUENT 24 thu thập tất cả thông số của hệ thống trong quá trình thực nghiệm để đánh giá về động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). - Để ứng dụng nhiên liệu LPG trên động cơ Diesel một cách hiệu quả, đảm bảo cải thiện các vấn đề tồn tại đặt ra trong các nghiên cứu trước đây, thì vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG phù hợp cho động cơ là cần thiết. - Trong chương này, tác giả đã thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển cung cấp LPG 13 cho động cơ thực nghiệm 3C- TE có khả năng điều chỉnh lượng cung cấp LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ theo yêu cầu đặt ra, đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định ở tất cả các chế độ thử nghiệm. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Mục đích, đối tượng và trang thiết bị thực nghiệm 4.1.1 Mục đích và đối tượng thực nghiệm  Mục đích thực nghiệm - Quá trình thử nghiệm trên động cơ Diesel với hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng điện tử sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel trên băng thử nhằm các mục đích sau: - Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel - Đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển hệ thống nhiên liệu kép LPG –Diesel khi kết hợp hệ thống điều khiển điện tử nhiên liệu Diesel và hệ thống cung cấp tỷ lệ LPG. - Đánh giá tính năng kinh tế, đặc tính kỹ thuật và quá trình phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép LPG-Diesel với tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất. - Đánh giá ảnh hưởng các thông số ảnh đến các chế độ hoạt động của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). - Kiểm tra và đánh giá các thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng hoàn toàn Diesel và khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). - Ngoài ra còn đánh giá một số tính năng mà nghiên cứu mô phỏng chưa chỉ ra được như giới hạn kích nổ và sự rung động khi tăng tỷ lệ LPG thay thế.  Đối tượng thực nghiệm: Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel TOYOTA 3C-TE với hệ thống cung cấp nhiên liệu kép LPG – Diesel điều khiển bằng điện tử. Các thông số cơ bản của các động cơ này được trình bày ở Bảng 3.1. 4.1.2 Điều kiện thực nghiệm  Yêu cầu về thiết bị thực nghiệm  Trang thiết bị thực nghiệm Hình 4.2: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm tại trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM 14 - Băng thử công suất AVL Dynoperform - Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu - Thiết bị đo độ mờ khói - Thiết bị phân tích khí thải MGT 5  Yêu cầu về nhiên liệu Trong quá trình thử nghiệm, chất lượng nhiên liệu có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả thí nghiệm. Để đảm bảo độ chính xác của thí nghiệm, nhiên liệu dùng trong quá trình thử nghiệm phải được kiểm định đánh giá các thành phần hóa học. 4.2 Các quy trình thực nghiệm 4.2.1 Thực nghiệm đặc tính kỹ thuật động cơ Diesel 3C – TE. Để có cơ sở so sánh với động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) trước tiên cần phải xây dựng đặc tính của động cơ thực nghiệm là động cơ TOYOTA 3C - TE đã qua sử dụng nên để có thể so sánh và đánh giá đúng các đặc tính kỹ thuật của động cơ khi dùng nhiên liệu kép LPG - Diesel với động cơ dùng nhiên liệu Diesel ta cần xác định các đặc tính hiện tại của động cơ. Việc xác định các đặc tính của động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Diesel được thực hiện theo quy trình sau:  Xác định đặc tính Mô men (Me) và công suất (Ne)  Xác định suất tiêu hao nhiên liệu (ge) 4.2.2 Thực nghiệm hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel).  Xác định lưu lượng cung cấp nhiên liệu Diesel cho động cơ 3C - TE  Xác định đặc tính của kim phun LPG:  Thực nghiệm quá trình điều khiển cắt giảm nhiên liệu Diesel và quá trình điều khiển kim phun LPG cung cấp nhiên liệu thay thế cho động cơ Sử dụng phần mềm lập trình LabVIEW để điều khiển tỷ lệ thay thế của 2 loại nhiên liệu LPG và Diesel khi động cơ đang hoạt động. Đồng thời với các thiết bị đo thu thập số liệu dạng xung của hãng PicoScope sẽ cho thấy được thời gian điều khiển giảm lượng phun nhiên liệu Diesel như hình 4.10 Hình 4.10: Điều khiển thời gian giảm nhiên liệu Diesel bằng cách ngắt sớm thời điểm hoạt động của van SPV (a) Xung tín hiệu điều khiển van SPV đầu vào; (b) Xung tín hiệu điều khiển đầu ra van SPV khi điều khiển cắt giảm nhiên liệu Diesel Đồng thời với việc cắt giảm nhiên liệu Diesel cung cấp cho động cơ thì để đảm bảo a b 15 về mặt cân bằng năng lượng của quá trình cháy, thì hệ thống điều khiển tính toán lưu lượng LPG thay thế tương ứng thông qua thời gian nấc kim phun LPG để đảm bảo các đặc tính mô men và công suất của động cơ. Vì vậy, tín hiệu của bộ điều khiển kim phun nhiên liệu LPG thay thế được thể hiện thông qua thiết bị đo thu thập số liệu dạng xung của hãng PicoScope hình 4.11 như sau: Bề rộng của xung tín hiệu (số 4) điều khiển kim phun LPG sẽ thay đổi theo xung tín hiệu (số 3) đầu ra của bộ điều khiển tỷ lệ (LPG – Diesel). Việc thay đổi thời gian điều khiển kim phun LPG để tăng hoặc giảm lượng LPG cung cấp cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). Hình 4.11: Xung tín hiệu điều khiển van SPV khi chạy 100% Diesel 1. Tín hiệu cảm biến TDC; 2. Tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ; 3. Tín hiệu đầu ra bộ điều khiển tỷ lệ (LPG – Diesel); 4. Tín hiệu điều khiển kim phun LPG  Thực nghiệm xác định thời gian điều khiển kim phun LPG để cung cấp theo các tỷ lệ thay thế nhiên liệu LPG cho nhiên liệu Diesel 4.2.3 Thực nghiệm các đặc tính và thông số ảnh hưởng đến động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel)  Thực nghiệm đặc tính Mô men và Công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel)  Thực nghiệm ảnh hưởng của góc phun dầu sớm đối với động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) 4.2.4 Thực nghiệm phát thải (HC, CO, NOx và độ mờ khói) khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) 4.3 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 4.3.1 Đặc tính kỹ thuật động cơ Diesel 3C – TE thực tế. Kết quả dữ liệu chạy thực nghiệm với phần mềm AVL-Concerto để xử lý số liệu thu thập từ hệ thống AVL - InDICOM, tiến hành xuất ra kết quả đo như bảng 4.2: Với kết quả thực nghiệm hình 4.13 trên ta thấy mô men cực đại của động cơ là 202.50 (Nm) tại tốc độ 2600 vòng/phút và công suất cực đại là 71.35 kW tại 4200 vòng/phút, tốc độ động cơ cao hơn 4200 vòng/phút thì công suất và mô men giảm nhiều 1 2 3 4 16 do bộ điều khiển cắt nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Mô men và công suất của động cơ thực nghiệm thấp hơn 10% và 7,6 so với thông số của nhà chế tạo bởi vì động cơ 3C – TE đã qua sử dụng nên các hệ thống của động cơ không còn hoạt động tốt như động cơ mới. Từ kết quả so sánh cho thấy việc sử dụng động cơ 3C-TE trong nghiên cứu thực nghiệm của luận án là phù hợp. Hình 4.13: Đồ thị đặc tính Mô men và Công suất của động cơ khi sử dụng Diesel Kết quả tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong thời gian 1s được thể hiện như sau: Theo như kết quả thể hiện suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng 100% nhiên liệu Diesel của động cơ 3C- TE có suất tiêu hao cao nhất ở tốc độ 1000 (v/ph) và suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất tại tốc độ 3000 (v/ph) ứng với công suất 61.69 kW và Mô men 196,46 (Nm). Hình 4.14: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel 10 20 30 40 50 60 70 80 50 75 100 125 150 175 200 225 250 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 3800 4200 C ô n g s u ấ t [ k W ] M ô m en [ N m ] Tốc độ [v/ph] Mô men_DIESEL Công suất_DIESEL 100 125 150 175 200 225 250 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 3800 4200 S u ấ t ti êu h a o n h iê n l iệ u G e [g /k W .h ] Tốc độ [v/ph] Ge - Thực nghiệm 17 Kết quả thực nghiệm cho thấy đặc tính công suất và môment của động cơ thực nghiệm đạt 92,4% và 90% so với thông số công bố của nhà chế tạo động cơ theo bảng 4.4, suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất khi động cơ hoạt động ở tốc độ 3000 (v/ph). Tốc độ động cơ cao hơn 4200 (v/ph) thì công suất và mô men giảm nhiều, suất tiêu hao nhiên liệu tăng nhanh do hoạt động của bộ điều tốc. Như vậy, giá trị mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Diesel hiện tại làm cơ sở để đánh giá về đặc tính của động cơ chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) ở các tỷ lệ nhiên liệu khác nhau. 4.3.2 Đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel). Từ kết quả của phục lục 3.6 cho thấy việc thay đổi tỷ lệ cung cấp LPG – Diesel có quy luật nhất định. Tỷ lệ nhiên liệu thay thế LPG – Diesel với thời gian điều khiển giảm lượng phun Diesel và tăng lượng phun LPG thể hiện theo bảng 4.5 thời gian hiệu chỉnh như sau: Bảng 4. 1: Mối quan hệ giữa tỷ lệ thay thế với thời gian giảm lượng phun Diesel và tăng lượng phun LPG Tỷ lệ thay thế (%) Giảm thời gian phun Diesel (ms) Tăng thời gian phun LPG (ms) 10 0.5 2.2 20 1.3 3.0 30 1.5 3.5 40 2.4 4.2 Để đảm bảo các đặc tính kỹ thuật của động cơ không thay đổi khi thay thế các tỷ lệ LPG – Diesel khác nhau ta tiến hành so sánh áp suất của quá trình cháy diễn ra bên trong buồng đốt động cơ thông qua cảm biến áp suất buồng cháy với kết quả theo hình 4.15 cho thấy áp suất cháy cực đại cao nhất với tỷ lệ nhiên liệu thay thế (30%LPG – 70%Diesel) là 81.22 bar tại 4.860 BTDC. Nhưng ở tại vị trí 100 BDTC trên thì áp suất cháy của các tỷ lệ nhiên liệu (LPG – Diesel) không có sự chênh lệnh nhiều (tối đa 1,3 bar) so với áp suất cháy khi sử dụng nhiên liệu Diesel là 76.742 bar. Từ kết quả trên cho thấy điều này chứng tỏ việc cung cấp tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế cho động cơ Diesel khi động cơ hoạt động ở chế độ nhiện liệu kép phù hợp với cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở chương 2. Hình 4.15: So sánh áp suất cháy ở các tỷ lệ (LPG – Diesel) ở tốc độ 2600 v/ph 18 Ngoài ra, khi thay đổi tỷ lệ nhiên liệu (LPG – Diesel) thay thế càng tăng thì thời điểm đạt áp suất cháy cực đại càng gần vị trí điểm chết trên, cho thấy quá trình cháy khi sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) diễn biến nhanh hơn vì thời gian cháy trễ đã giảm so với khi sử dụng nhiên liệu Diesel.  Đánh giá về tỷ lệ thay thế LPG lớn nhất của động cơ 3C - TE Dựa vào các số liệu thu thập của cảm biến áp suất buồng cháy giúp giám sát và xác định được sự gia tăng áp suất tới giới hạn kích nổ khi cung cấp tỷ lệ LPG tăng cao. Với tỷ lệ thay thế của lần lượt LPG là 10%, 20%, 30%, 40% thì áp suất cháy trong xilanh tăng dần. Nhưng khi tăng tỷ lệ LPG thay thế 44%, thì biên độ áp suất quá trình cháy tăng cao hơn nhiều so với các chế độ thay thế ở trên, đồng thời cũng xuất hiện tượng kích nổ đã xảy ra đối với động cơ. Khi tỷ lệ LPG tăng lên khoảng 43% thì xuất hiện đỉnh áp suất cao hơn khoảng 10 bar, quá trình kích nổ diễn ra mạnh. Ví vậy, giới hạn tỷ lệ nhiên liệu thay thế LPG lớn nhất của nghiên cứu trong luận án là 40% ở chế độ đảm bảo mô men của động cơ cao nhất (chế độ 100% tải). Hình 4.16: Diễn biến áp suất xilanh ở 2600 v/ph với các tỷ lệ LPG khác nhau Đồng thời để giám sát quá trình kích nổ của động cơ khi hoạt động với nhiên liệu kép (LPG – Diesel). Hệ thống điều khiển cũng sử dụng tín hiệu cảm biến kích nổ để biết được chính xác thời điểm xảy ra quá trình kích nổ để điều khiển giới hạn lượng cung cấp LPG thay thế cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép theo tín hiệu (số 3) hình 4.17. Hình 4.17: Tín hiệu xung kích nổ của động cơ xảy ra khi thời gian điều khiển mở kim phun LPG > 4.2 ms -30 -20 -10 0 10 20 30 40 GOC QUAY TRUC KHUYU [deg] A P S U A T X IL A N H [ ba r] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100% Diesel 10%LPG - 90%Diesel 20%LPG - 80%Diesel 30%LPG - 70%Diesel 40%LPG - 60%Diesel 43%LPG - 57%Diesel GOC QUA Y TRUC KHUY U deg 6.561 AP SUA T XILA NH bar 66.633 PCY L1 bar 71.447 20%LPG - 80%Diesel bar 80.029 30%LPG - 70%Diesel bar 78.459 40%LPG - 60%Diesel bar 79.466 43%LPG - 57%Diesel bar 88.276 Created with Concerto Student Edition. Licensed for: University of Technical Education Tín hiệu kích nổ 1 2 3 4 19 4.3.3 Đánh giá ảnh hưởng các đặc tính và thông số đến động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel)  Ảnh hưởng đến mô men và công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) Kết quả thu được dữ liệu (theo phụ lục 3.7 và 3.8) trong quá trình chạy thử nghiệm các chế độ hoạt động của động cơ với băng thử công suất AVL và phần mềm AVL - InDICOM với các tỷ lệ LPG thay thế lần lượt 10%, 20%, 30%, 40%. .Ứng dụng phần mềm chuyên dụng AVL Concerto tiến hành xử lý cơ sở dữ liệu và xuất kết quả thực nghiệm các đặc tính mô men và công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG -Diesel) bằng đồ thị như hình 4.18 sau đây: Hình 4.18: Đồ thị so sánh đường đặc tính ngoài (Công suất & Mô men) của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) theo các tỷ lệ thay thế Qua kết quả thực nghiệm cho thấy động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG-Diesel) đạt 98,5% mô men cực đại và 85% công suất cực đại. Công suất và mômen trung bình động cơ ở các tỷ lệ có giảm nhưng không đáng kể, ở tỷ lệ LPG thay thế cao trên 40%, tốc độ cao động cơ bắt đầu xuất hiện hiện tượng kích nổ. Vì vậy, thử nghiệm lượng nhiên liệu LPG thay thế tối đa cho động cơ 3C-TE sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) với là 40%LPG – 60%Diesel và đây là tỷ lệ thay thế lớn nhất đới với động cơ 3C-TE ở chế độ mô men lớn nhất. Giá trị mô men và công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel ở tốc độ từ 3400 vòng/phút đến 4200 vòng/phút có xu hướng giảm tăng dần khi tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế tăng là do quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel bao gồm cả quá trình cháy khuếch tán của nhiên liệu Diesel và quá trình cháy hỗn hợp LPG – Không khí đồng nhất tương tự như động cơ xăng. 10 20 30 40 50 60 70 80 50 75 100 125 150 175 200 225 250 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 3800 4200 C ô n g s u ất [k W ] M ô m en [ N m ] Tốc độ [v/ph] Mô men_DIESEL Mô men_10%LPG Mô men_20%LPG Mô men_30%LPG Mô men_40%LPG Công suất_DIESEL Công suất_10%LPG Công suất_20%LPG Công suất_30%LPG Công suất_40%LPG 20  Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mômen và công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) Hình 4.19: Đồ thị đặc tính mômen và công suất động cơ khi thay đổi góc phun sớm Kết quả thử nghiệm biểu diễn trên các đồ thị hình 4.19 cho thấy khi thay đổi góc phun sớm, công suất và mômen động cơ thay đổi ít theo cả hai chiều tăng và giảm, mức thay đổi đều nhỏ hơn 1.5%. Công suất và mô men động cơ không thay đổi nhiều bởi vì năng lượng của nhiên liệu kép (LPG – Diesel) cung cấp cho động cơ là không thay đổi so với năng lượng do nhiên liệu Diesel tạo ra. 4.3.4 Đánh giá ảnh hưởng đến phát thải (HC, CO, NOx và muội than) của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) - Ảnh hưởng phát thải muội than Kết quả đo độ mờ khói (muội than) khi thực hiện ở các chế độ LPG thay thế 10%, 20%, 30%, 40% được trình bày trong phụ lục 3.9. Độ mờ khói giảm ở tất cả khi tỷ lệ LPG thay thế tăng và độ mờ khói giảm 77.61% khi thay thế tỷ lệ thay thế 40% LPG theo hình 4.20 Hình 4.20: Đồ thị độ mờ khói K (m-1) khi thực nghiệm với tỷ lệ LPG thay thế Độ mờ khói giảm là do khi LPG phun vào đường ống nạp, hỗn hợp LPG – Không khí được hoàn trộn trên đường ống nạp nên quá trình cháy diễn ra tốt hơn. Đồng thời tỷ lệ Cacbon so với Hydro của LPG nhỏ hơn so với Diesel, tức là khối lượng C trong nhiên liệu 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1 Đ ộ m ờ k h ó i Diesel Dual_10%LPG Dual_20%LPG Dual_30%LPG Dual_40%LPG 21 LPG thấp hơn so với Diesel nên giảm khả năng hình thành muội than, dẫn đến độ mờ khói của động cơ chạy bằng nhiên liệu kép Diesel – LPG thấp hơn so với động cơ chạy nhiên liệu Diesel.  Ảnh hưởng phát thải khí CO Hình 4.21: Đồ thị khí thải CO ở các tỷ lệ LPG và tốc độ khác nhau Kết quả phát thải CO khi sử dụng động cơ Diesel hoàn toàn và khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel đo được ở phụ lục 3.10. Đồ thị hình 4.21 cho thấy khi LPG phun vào đường nạp động cơ thì khí thải CO tăng lên ở tất cả các chế độ thực nghiệm. Giá trị CO tăng trung bình lớn nhất ở tỷ lệ LPG thay thế 40% là trên 2,2 lần so với giá trị CO khi sử dụng hoàn toàn Diesel. Khi tỷ lệ LPG thay thế nhỏ, ở tốc độ thấp hỗn hợp không khí nhạt ngoài giới hạn cháy nên quá trình cháy kém giải phóng nhiều CO. Tuy nhiên khi tăng lượng LPG đến mức hỗn hợp có thể đốt cháy thì lúc đó quá trình cháy diễn ra tốt hơn nên khí CO có xu hướng giảm xuống đặc biệt ở tốc độ cao.  Ảnh hưởng phát thải khí HC Kết quả phát thải HC của động cơ thực nghiệm khi sử dụng hoàn toàn Diesel và khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel đo được ở phụ lục 3.11. Đồ thị hình 4.22 cho thấy, khi phun LPG vào đường ống nạp động cơ Diesel thì phát thải HC tăng ở tất cả các tỷ lệ, với tỷ lệ thay thế 40% thì nồng độ HC trung bình tăng gần 4,6 lần so với giá trị HC khi sử dụng Diesel bình thường. Hình 4.22: Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm với tỷ lệ LPG thay thế 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 1000 2000 3000 4000 C O [ % V ] Tốc độ [v/ph] CO_DIESEL CO_10%LPG CO_20%LPG CO_30%LPG CO_40%LPG 0 200 400 600 800 1000 1200 1000 2000 3000 4000 H C [ p p m ] Tốc độ [v/ph] HC_DIESEL HC_10%LPG HC_20%LPG HC_30%LPG HC_40%LPG 22 Thành phần HC tăng cao là do hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và không khí quá nghèo, dưới giới hạn cháy nên không cháy hết hoặc màng lửa không lan đến kịp trong không gian buồng cháy.  Thực nghiệm đánh khí thải NOx Đồ thị hình 4.23 cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì hàm lượng NOx giảm. Ở chế độ LPG thay thế 40%, phát thải trung bình của NOx giảm nhiều nhất là 6,7% so với giá trị NOx khi sử dụng hoàn toàn Diesel. Kết quả đo được thể hiện ở phụ lục 3.12. Hình 4.23: Phát thải NOx ở các chế độ thử nghiệm với tỷ lệ LPG thay thế NOx giảm là do LPG khi hòa trộn với Diesel sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa khi cháy, thời gian duy trì môi chất đã cháy ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với ngọn lửa được rút ngắn làm giảm quá trình hình thành NOx ở chế độ nhiệt độ cao.  Ảnh hưởng của góc phun sớm đến phát thải của động cơ Hình 4.24: Phát thải HC,CO, NOx và độ mờ khói khi thay đổi góc phun sớm Theo kết quả của hình 4.24 và 4.25 cho thấy khi giảm góc phun sớm của động cơ chạy nhiên liệu kép (LPG – Diesel) so với góc phun sớm tối ưu 170, ta thấy thành phần phát thải HC giảm 8,47% và NOx giảm là 0,34% ở 140, thành phần phát thải CO gần như không đổi. Tuy nhiên thành phần độ mờ khói giảm 4,1% ở góc phun 14o nhưng ở 120 tăng lên 2,08% so với trường hợp động cơ chạy ở góc phun sớm 170. Khi tăng góc phun sớm của động cơ chạy nhiên liệu kép LPG - Diesel so với góc phun sớm tối ưu 170, ta thấy tất cả các thành phần phát thải động cơ đều tăng. HC tăng dần và đạt 4,2%, NOx tăng 1,8% độ tăng 12,5% ở góc phun sớm là 220, thành phần CO gần 0 200 400 600 800 1000 1200 1000 2000 3000 4000 N O x [p p m ] Tốc độ [v/ph] Nox_DIESEL NOx_ 10%LPG NOx_ 20%LPG NOx_ 30%LPG NOx_ 40%LPG 23 như không đổi. Càng tăng góc phun sớm, HC, NOx cũng như độ mờ khói càng tăng, điều này không cho phép tiếp tục tăng góc phun sớm. Như vậy, qua kết quả thực nghiệm đánh giá ở trên, có thể thấy góc phun sớm hợp lý là 140 với chế độ mômen lớn nhất. Với giá trị góc phun sớm này có thể giảm hầu hết các thành phần độc hại trong khí thải động cơ. 4.4 Kết luận chương 4 Quá trình nghiên cứu thực nghiệm động cơ Diesel 3C-TE chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) với hệ thống điều khiển cung cấp LPG bằng điện tử, có thể rút ra một số kết luận sau: - Đã chế tạo và ứng dụng thành công mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel) cho động cơ 3C - TE với độ tin cậy cao giúp động cơ ổn định khi hoạt động với hệ thống nhiên liệu kép (LPG – Diesel). - Đã nghiên cứu và lựa chọn được tỷ lệ cung cấp LPG phù hợp trên động cơ, khi chạy với tỷ lệ thay thế 40%LPG mô men cực đại của động cơ tăng 1.5% so với khi chạy 100% Diesel tại tốc độ 2600v/p và công suất cực đại giảm 9.03% ở 4200 v/ph. - Đã đánh giá được ảnh hưởng của nhiên liệu LPG khi động cơ làm việc ở chế độ nhiên liệu kép (LPG – Diesel) đến phát thải của động cơ, cụ thể như sau: + Độ mờ khói giảm khi tỷ lệ LPG thay thế tăng và độ mờ khói giảm 77.61% khi thay thế tỷ lệ thay thế 40% LPG. + Phát thải khí sử dụng nhiên liệu kép CO tăng gấp 2,2 lần, HC tăng gần 5 lần so với sử dụng nhiên liệu Diesel là do hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và không khí quá nghèo, dưới giới hạn cháy nên không cháy hết hoặc màng lửa không lan đến kịp trong không gian buồng cháy (do động cơ sử dụng buồng đốt xoáy lốc). - Khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) góc phun sớm hợp lý là 140 so với 170 của động cơ nguyên thủy. Với giá trị góc phun sớm này có thể giảm hầu hết các thành phần độc hại trong khí thải động cơ. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN  Kết luận: Luận án hoàn thành và đã rút ra được các kết luận sau đây: 1. Động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel là một trong những hướng nghiên cứu về nhiên liệu thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm. Nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã đầu tư tài chính, công sức cho nghiên cứu này. Ở Việt Nam, ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều, nhưng chưa chuyên sâu. Các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG chứ chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, quá trình cháy, hình thành hỗn hợp cũng như đánh giá các chất gây ô nhiễm. 2. Luận án này đã nghiên cứu một cách tổng quan về quá trình cháy, phân tích lựa chọn các phương án cung cấp LPG. Xác định rằng việc sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel trên động cơ Diesel hiện hành là rất khả thi. Phương pháp cung cấp LPG bằng cách phun vào đường nạp của động cơ là phù hợp nhất và mang tính thực tiễn cao, không yêu cầu phải thay đổi nhiều kết cấu động cơ. 24 3. Luận án đã nghiên cứu và chế tạo thành công phối hợp bộ điều khiển điện tử điều khiển của động cơ Diesel VE – EDC và bộ điều khiển điện tử cung cấp LPG phù hợp với mục đích của luận án và có khả năng ứng dụng vào thực tế. Đồng thời cũng đưa ra một số giải pháp khả thi trong việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ Diesel sang sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) phù hợp với điều kiện hiện tại ở Việt Nam. 4. Kết quả thực nghiệm với động cơ 3C – TE cho thấy: Động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel đạt 98,5% mô men cực đại và 85% công suất cực đại, mô men và công suất trung bình của động cơ giảm nhưng không đáng kể so với trường hợp sử dụng hoàn toàn nhiên liệu Diesel. Tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất đạt 40% ở toàn tải, vượt quá tỷ lệ này tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ có thể sẽ xấu đi, xuất hiện kích nổ và rung. 5. Khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) chỉ số về độ mờ khói giảm ở tất cả các chế độ, các chỉ số phát thải CO và HC đều tăng, lượng giảm NOx là 6,7%, độ mờ khói giảm trên 77% ở chế độ thay thế 40% so vớ động cơ sử dụng hoàn toàn nhiên liệu Diesel 6. Đã đánh giá được ảnh hưởng của góc phun dầu sớm tới đặc tính kỹ thuật cũng như phát thải của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu kép và góc phun sớm phù hợp cho động cơ này là 140.  Hướng phát triển: Trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu, luận án có một số đề nghị hướng phát triển như sau: 1. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu kép LPG - Diesel đến độ bền của các chi tiết và tuổi thọ của động cơ. 2. Ứng dụng phương án đã nghiên cứu để giảm độ mờ khói và giải quyết yêu cầu về năng lượng thay thế cho các động cơ Diesel lắp trên ô tô hoạt động tại các đô thị lớn tại Việt Nam để giúp giảm bớt ô nhiễm không khí do động cơ Diesel gây ra. 3. Sử dụng bộ lọc khí thải dạng ôxy hóa để giải quyết việc tăng CO và HC của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG-Diesel. 4. Nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện về bản đồ của động cơ trong việc phối hợp điều khiển động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel), tiến tới phát triển bộ điều khiển nhiên liệu kép (LPG – Diesel) cho các loại động cơ Diesel đang sử dụng hiện nay tại thị trường Việt Nam. 5. Cần có thêm các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa tỷ lệ hòa trộn LPG trong động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel. 6. Triển khai thử nghiệm trên đường một cách sâu rộng trên các phương tiện vận tải thông dụng và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi vận hành với nhiên liệu kép LPG - Diesel trong điều kiện thực tế. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Nguyễn Văn Long Giang, Đỗ Văn Dũng, Trần Thanh Hải Tùng, Huỳnh Phước Sơn (2011), “Nghiên cứu, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép cho động cơ diesel Ford Range”. Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc, 2011, trang 71. 2. Trần Thanh Hải Tùng, Đỗ Văn Dũng, Huỳnh Phước Sơn, Nguyễn Văn Long Giang, Phan Nguyễn Quí Tâm (2012), “Nghiên cứu, lắp đặt hệ thống nhiên liệu CRDI (Common Rail Diesel Injection) trên động cơ Vikyno RV 125-2”, Kỷ yếu Hội nghị NCKH Đại học Đà Nẵng lần thứ V – 2012, trang 44 – 48. 3. Nguyễn Văn Long Giang, Đỗ Văn Dũng, Trần Thanh Hải Tùng, Huỳnh Phước Sơn (2013), “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số điều khiển phun khí hóa lỏng đến hiệu suất và khí thải của động cơ diesel chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel”. Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc 2013, trang 221. 4. Đỗ Văn Dũng, Trần Thanh Hải Tùng, Huỳnh Phước Sơn, Nguyễn Văn Long Giang, Thái Huy Phát (2013), “Nghiên cứu lắp đặt hệ thống nhiên liệu kép CNG- diesel trên động cơ Vikyno RV 125”. Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc 2013, trang 656. 5. Nguyễn Văn Long Giang, Đỗ Văn Dũng, Trần Thanh Hải Tùng, Huỳnh Phước Sơn (2014), “Ứng dụng phần mềm AVL Boost mô phỏng tính toán các chế độ hoạt động trên động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG - Diesel)”. Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc 2014, trang 174. 6. Do Van Dzung, Huynh Phuoc Son, Thai Huy Phat, Nguyen Van Long Giang (2014) “Research and install the dual fuel CNG – diesel supply control system on small diesel engine”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ ISSN 0868-3980 (Số 100/2014), trang 47- 50. 7. Nguyễn Văn Long Giang, Đỗ Văn Dũng, Huỳnh Phước Sơn, Trần Thanh Hải Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển hồi lưu khí thải và lưu lượng nhiên liệu cho động cơ nhiên liệu kép (LPG – Diesel)”, Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc 2015, trang 246. 8. Nguyen Van Long Giang, Do Van Dzung, Tran Thanh Hai Tung, Duong Trong Chung (01/2016), “Study the effect of LPG injection parameters on the performance and emission for dual fuel (Diesel – LPG) diesel engine”, Tạp chí khoa học giáo dục kỹ thuật (ISSN 1859 – 1272), số 35A (01/2016), trang 18 – 24. 9. Nguyễn Văn Long Giang, Đỗ Văn Dũng, Huỳnh Phước Sơn, Trần Thanh Hải Tùng (2016), “Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel)”, Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc lần thứ 19 năm 2016, trang 164 - 173. 10. Nguyen Van Long Giang, Do Van Dzung, Huynh Phuoc Son, Tran Thanh Hai Tung (2017) “Experimental research on fuel control system of internal combustion engine using dual fuel LPG – Diesel”, 2017 International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), Publication Year: 2017, Pages: 365 – 370.